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关于调节阀空化损坏分析及解决方案

0 引言


实际生产中,调节阀压力降较高时会出现许多问题,例如空化、高噪声水平和振动等。这些问题带来的直接影响是对阀体和阀芯的磨损及空化的损伤。

1 调节阀空化损坏分析

1.1 空化损坏分析

液体介质在高差压下会产生空化,空化产生于液态区的气泡,生成气泡的必要条件是液态所处的绝对压力低于该液体饱和蒸汽压力Pv。阀座相当于节流孔板,高压流体流经节流孔时,静压能与动压能相互转换,流速的增加导致压力降低,见图1。

图1 产生空化的流动曲线

由图1可知,当压力降低至等于或低于该流体在入口温度下的气化压力Pv时,液体中的气核即膨胀形成气泡,带有气泡的液体在宽敞的下游流道中流速下降,压力回升。当压力回升至Pv或高于Pv时,气泡破裂,此时将释放出巨大的能量,对阀座、阀芯等阀内件产生破坏,即空蚀。它的特点在于液体—蒸汽—液体的过程全部是在调节阀的小面积内并在微秒时间内进行的。空化的破坏力很大,气泡破裂的瞬时压力高达300MPa,现有的工程材料难以抵抗其空蚀。对于不锈钢等塑性材料,在空化作用下,将产生麻点腐蚀直至呈现蜂窝状空洞损坏;而对于硬质合金等脆性材料则产生碎块损坏。同时,气泡破裂时所释放的能量使操作人员很容易听到像是来自于调节阀或下游管线的噪声,并伴有强烈的振动,而最终导致调节阀内件的疲劳损坏。

1.2 产生空化的条件

空化的产生必须具备5个条件:

(1)调节阀上游、下游(或调节阀内件处)的流体必须是液体;
(2)当流体进入调节阀或在调节阀下游由压力降产生残余蒸汽时,液体必须达到饱和状态;
(3)阀座处的压力降必须下降到高压流体的蒸汽压力之下;
(4)调节阀出口压力必须恢复到液体蒸汽压力水平;
(5)液体必须含有某些夹带气体或杂质,在形成气泡中它起到气核的作用。

1.3 堵塞物流

当调节阀下游压力下降时,产生大的压力差,此时出现初期空化,而增加了流体比容。当流量增加到一定程度时,发生堵塞物流,除非操作改变之外流速不再增加。流量Q和压力降的平方根之间呈直线关系,见图2。

图2 流量对压差的流动曲线

1.4 空化与汽蚀

空化或空蚀,即通常所说的汽蚀。它是渐变的破坏过程。当高压流体流经调节阀的节流孔后,其出口压力P2等于或高于该液体的汽化压力Pv时,气泡破裂所释放出巨大的空化量,才对节流组件产生破坏,即空蚀。如果出口压力P2低于该液体的汽化压力Pv时,在节流降压过程中,所产生的气泡就不会破裂,而是夹在液体中成为“二相流”,即所谓的“闪蒸”流动,闪蒸流动一般不会对阀内件产生破坏,但会产生堵塞物流。而使调节阀流量减小,与此同时还会产生强烈的噪声和振动,该噪声为空化噪声。所以空蚀或汽蚀仅仅是空化作用的结果之一。防空化即是防止流体在节流过程中产生气泡,使其不产生气泡,当然也就不会有汽蚀,更不会产生闪蒸流动和堵塞物流。这和防汽蚀是不同的,防汽蚀是指气泡产生了,但不让其对阀内件产生空蚀。由于空化能很高,只有在压差较低的情况下,选用适当材料,也只能延缓空蚀,而不能有效抵抗空蚀。因此,防空化是治本,而防汽蚀则是治标。

2 高差压调节阀防空化解决方案

大庆石化仪表安装公司在多年调节阀维修及制造过程中,积累了许多宝贵经验,认为防空化解决方案的关键是如何改变流体在调节阀内的流动状态,使高压流体在节流降压过程中不产生空化。因此核心应为阀内件的结构。

2.1 建立数学模型

通过多级降压的结构可以改变流体在调节阀内的流动状态,见图3。

图3 迷宫式曲折通道示意

从图3可以看出,由于采用了迷宫式的曲折通道,降低了通过调节阀的总流速,因此减少了压力恢复。当流体通过阀芯运动时,迷宫式的曲折通道产生高的和低的压力涡,并产生相当大的摩擦损失。迷宫式的曲折通道采用一系列的直角转角,以获得摩擦损失和较低的流速。

确定转角的数量是迷宫式的曲折通道结构设计的关键,因为它决定了总速度头损失和其它结构尺寸。在尺寸确定时,还需进行流动曲线空化指数Kc、调节阀空化指数σ、Ks系数等的计算,由此可确定出在某一工况下的防空化阀内件的尺寸。

2.2 结构特点

调节阀防空化解决方案的关键技术是节流组件(阀内件)。根据防空化的原理,采用径向多级降压分流的迷宫式曲折通道集成块,由若干件圆环,按一定规律叠加成节流组件集成块。将调节阀的全开度分为若干组相互独立的空间,在其每个独立空间均设有径向流道。调节阀工作时,各开度的高压流体进入节流组件集成块后,分别在各自的独立空间内进行多级降压节流、缓冲膨胀、转变折流,它们之间各行其道,互不干扰。因此各开度的高压流体,从节流组件集成块入口到出口,其压力和压差均按一定规律逐步降低,从而达到有效防止空化与空蚀的目的。

根据不同的工况条件,可以将节流组件制造成全迷宫式曲折通道集成块,或迷宫式曲折通道集成块与单级节流窗口相结合的组合式节流组件。这种结构适用于锅炉给水调节阀等变差压工作场合,或对流通能力要求较大的场合。

这是因为调节阀在变差压工况下运行存在2个问题,(1)空化问题;(2)流量特性畸变问题。这就要求调节阀必须具备适应变差压特点的流阻结构和对流量特性的补偿能力。同时由于宫式曲折通道集成块的结构特点决定了,在公称通径相同的前提下,采用迷宫式曲折通道集成块的调节阀其Cv值要比普通结构的调节阀略低。

仅仅改变节流组件的结构,还不能完全消除空化,因为高压流体在迷宫式曲折通道集成块内,只要有极微小的泄漏或串流,就会造成高低压空间相互串通,从而破坏各开度流体之间的节流降压规律,引起空化与空蚀,还可通常使流量特性产生畸变,降低调节精度。这就要求迷宫式曲折通道集成块的相邻圆环之间必须保持严密性,这在技术上具有一定的难度。将圆环加工好后,通过特种工艺技术,将若干圆环叠加成一个不可分割的整体。

3 结束语

高压水调节阀、锅炉给水调节阀,都存在严重的空化损坏问题,而影响装置的长周期运行。由于这些调节阀对流通能力要求较大,故采用迷宫式曲折通道集成块与单级节流窗口相结合的组合式节流组件型式,将20%以下开度采用迷宫式曲折通道集成块结构,20%~100%开度为单级节流窗口(即套筒)结构,这样当调节阀在小于或等于20%的小开度下工作时,由于流体进入迷宫式曲折通道集成块进行节流降压,虽然压差很高,但依然不会产生空化;将调节阀处在20%~100%开度时,流体基本上由套筒的窗口控制,属于单级节流,所产生的流阻压降远比多级迷宫式曲折通道集成块小,能够满足其对大流量的要求。经过多年现场应用考核,防空化效果明显。

参考文献:

[1] 陆培文.调节阀实用技术[M].北京:机械工业出版社,2002:605-639.
[2] 孙家孔.调节调节阀手册(第二版)[M].北京:中国石化出版社,2003:179-205.